長江上游森林植被對水環(huán)境的涵養(yǎng)效應

長江上游森林植被對水環(huán)境的涵養(yǎng)效應

長江上游（宜昌以上）占長江三角洲的50%以上，控制面積約100萬公里。由于其特殊的地理位置、陡峭的地形和高流速，降雨幅度大、平坦、強度高，長江上游植被景觀已成為長江流域生態(tài)環(huán)境保護的障礙和社會可持續(xù)發(fā)展的重要基礎。盡管長江洪災發(fā)生有氣候方面的客觀原因，但是人為因素造成的中上游地區(qū)森林過度采伐、亂砍濫伐、毀林開荒引起水土流失加劇和江湖、水庫淤積，降低了調(diào)蓄洪能力，也是造成洪澇災害的重要原因。長江上游天然林由于遭到長期過量采伐，面積銳減，質(zhì)量下降，僅川西林區(qū)天然林面積在1985年至1995年的10年間減少了35.1%，而人工更新的森林面積有限，結構不合理，致使長江上游森林的生態(tài)功能尤其是水源涵養(yǎng)功能不斷削弱，水土流失逐年加劇，江河含沙量急增，嚴重影響到長江上游社會經(jīng)濟發(fā)展，也是造成長江中下游水患的重要原因之一。因此，研究該區(qū)森林植被水文功能的格局與過程，從根本上揭示森林植被對該區(qū)水文過程與循環(huán)的調(diào)節(jié)作用刻不容緩。揭示森林水文生態(tài)功能及其隨自然地理、植被條件和人為干擾施加的環(huán)境影響下的變化機制不僅有助于了解森林生態(tài)系統(tǒng)中水分的運轉過程與機制以及對系統(tǒng)結構、生物地球化學循環(huán)、能量代謝和生產(chǎn)力的影響，而且能正確評價和認識森林的作用，為森林合理經(jīng)營利用，保護自然環(huán)境和水資源以及維持人類與自然的協(xié)調(diào)統(tǒng)一所需生存環(huán)境的穩(wěn)定提供持續(xù)發(fā)展的科學理論。本文主要從該區(qū)森林對大氣降水的截留、對地表徑流的影響以及森林蒸發(fā)散3個方面闡述該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能和水量平衡的格局與過程。1山地氣候分布特點自1960年始，中國林業(yè)科學研究院和四川省林業(yè)科學研究院在川西高山米亞羅林區(qū)（北緯31°40′，東經(jīng)102°48′）進行了定位與半定位觀測研究。該區(qū)地形屬高山深谷型，山峰高度多在4000m以上，河谷多在3000m以下，比高2000m左右，坡度多在35°以上，有的高達60°～70°。該區(qū)土壤屬山地棕色灰化土和褐色森林土，孔隙大，滲透性好。地處低緯度、高海拔，受西風帶大氣環(huán)流的影響，年降雨變異為700～900mm，平均為857mm，年平均相對濕度70%。年平均氣溫為6.5℃，7月最高溫31.2°C,1月最低溫-16.1℃。由于氣候分異，森林植被垂直分布明顯。海拔2500m以下為落葉闊葉林，2500～3000m為針闊混交林帶，3000～3700m為亞高山暗針葉林帶，海拔3700m為高山岷江冷杉、紅杉針葉疏林，3900～4400m為高山灌叢草甸。2結果分析2.1森林對大氣降水的阻塞2.1.1林冠截留分析林冠截留是森林水文研究的熱點之一。多年來國內(nèi)外許多學者對此作了大量研究，現(xiàn)已清楚地劃分為降雨過程中濕潤林冠上的雨水蒸發(fā)和雨后林冠蓄水蒸發(fā)和樹干蓄水蒸發(fā)。目前，除獲取大量有關林冠截留量和截留率的實測數(shù)據(jù)外，許多學者根據(jù)影響林冠截留的各種因子和林冠截留量的數(shù)量關系推導出降水截留的半經(jīng)驗和經(jīng)驗理論模型。由于建立的模型有各自的側重點，導致可比性太差；另外，由于模型要求許多因子的測定，容易產(chǎn)生誤差，會降低模型的精度。這些存在的問題主要是缺乏對林冠截流過程的本質(zhì)認識。劉世榮、溫遠光等人綜合大量的研究結果，認為林冠截留量與降水量存在極緊密的正相關關系，但是不同類型的森林，兩者相關的線形是不同的，有的表現(xiàn)為極緊密的直線相關，有的則以冪函數(shù)關系較佳。方差分析結果表明，不同森林類型之間林冠截留與降水的關系無顯著差異。冷杉林林冠截留量與降雨量的關系是，林冠截留量隨降雨量的增加而增加，截留率隨降雨的增加而減小，一年中林冠截留的幅度變化在20%～70%。林冠最大截留量出現(xiàn)在2～3月，最小出現(xiàn)在5～6月；截留量與林分郁閉度的關系是，當林分郁閉度在0.7時（5～7月），平均截留率為24%，當郁閉度在0.3時（5～7月），平均截留率為9.5%（圖1）。2.1.2枯落物持水能力森林枯枝落葉層不僅能吸滯通過植被而降落在地面之水，而且還能增加地表層的粗糙度，從而減緩水流速度，使降水通過地被物緩慢滲透到土壤中，變地表徑流為地下徑流，減少土壤表層的流失，因此枯枝落葉層對森林的水源涵養(yǎng)和水土保持具有重要的作用。從表1可見，不同森林植被類型之間枯落物持水能力不同，岷江冷杉原始林的枯落物最大持水量、土壤最大持水量、苔蘚層最大持水量比皆伐后形成的其他森林類型要大得多，尤其是枯落物、苔蘚層最大持水量為其他森林類型的2.3～17.2倍和3.6～6.1倍，從灌叢到次生林或人工林，最后演替頂極群落，枯枝落葉層、苔蘚層、土壤層最大持水量逐漸增大，并朝頂極群落水源涵養(yǎng)能力方向恢復，顯示出岷江冷杉原始林具有良好的水文生態(tài)功能?？葜β淙~層干重的差異，反映了不同林型下凋落物的積累。其中箭竹、杜鵑、高山櫟—冷杉林之所以大于蘚類—冷杉林，主要因為前者有較多的落葉伴生樹種和灌木，加上不同林型的氣溫、水分狀況、土壤酸度的鹽基含量等條件的差異，導致枯枝落葉層累積量和苔蘚層的變化（表2）。根據(jù)劉世榮等人對全國79個點枯落物持水量與現(xiàn)存量的相關分析表明，兩者存在極強的直線正相關關系，即：式中，M為持水量(mm);W為枯落物現(xiàn)存量(t/hm2)。2.1.3跡地土壤理化性質(zhì)土壤理化性質(zhì)與森林狀態(tài)密切相關，一方面土壤不斷供給森林所需的養(yǎng)分，另一方面森林也不斷地改造著土壤。森林結構變化，往往引起土壤理化性質(zhì)的顯著變化，而變化后土壤，其理化性質(zhì)恢復需要較為漫長的時間。當岷江冷杉原始林皆伐后，跡地表土層平均都比原森林覆蓋下的土壤減薄5～10cm；跡地土壤容重自20cm以下就大于1.0，比伐前林地土壤提高20cm；跡地土壤pH值一般比林下土壤提高0.3～0.8；從有機質(zhì)的絕對積累數(shù)字看，跡地比林地少49%；跡地土壤的含水率比林下土壤低36%；跡地土壤的石礫含量較林下土壤要高3%～5%以上?？梢?，跡地土壤的宜林特性是變劣了。但是，隨著灌草入侵和森林群落的形成，土壤理化性質(zhì)逐漸得到改善和恢復（表3）。生物量測定結果表明，岷江冷杉原始林最大，其次是皆伐后經(jīng)30～40年形成的岷江冷杉次生林、粗枝云杉人工林、樺木次生林，最小是皆伐后經(jīng)5年形成的灌木次生林。岷江冷杉原始林的苔蘚層生物量高達7.426t/hm2，是其他類型的3～7倍，苔蘚層是最為重要的水源涵養(yǎng)功能層，苔蘚持水量是其自身重的6倍，其土壤的腐殖質(zhì)層厚、容重輕、總孔隙和非毛管孔隙度大，表現(xiàn)出較高的土壤肥力，良好土壤結構和通氣狀況，有利于林木生長和涵養(yǎng)水源。2.2森林徑流對年徑流的影響森林對流域徑流量調(diào)節(jié)受森林植被的類型、年齡、覆蓋率的影響，以及氣候、地形、地質(zhì)和土壤的影響。一般的研究結論是，在溫暖濕潤地區(qū)，森林采伐后年徑流量增加；在半濕潤、半干旱和高溫干燥的熱帶地區(qū)，森林采伐后年徑流量減少。不同植被類型對徑流的影響目前尚屬研究熱點，并無定論。然而，由于森林采伐及不同采伐強度導致植被覆蓋率變化，從而影響地表徑流確有比較明顯的結論，但現(xiàn)實觀測中，徑流的產(chǎn)生必須和降雨聯(lián)系在一起。表4列出了不同采伐強度和降雨強度影響下地表徑流的動態(tài)。通過表4的分析，可以得到以下基本結論，即在徑流產(chǎn)生的過程中，徑流強度隨雨強的增大而增大。由于采伐方式或強度影響了植被的覆蓋率，從而使平均徑流系數(shù)皆伐跡地>擇伐跡地>原始森林。這說明，由于森林的采伐而增加了地表徑流量。采伐強度越大，徑流量增加越大。分別對擇伐跡地和皆伐跡地的后期調(diào)查表明，伐后植被恢復很快，地表徑流量和徑流系數(shù)逐漸減少。皆伐跡地的平均徑流系數(shù)為0.193%，翌年下降為0.152%；擇伐跡地為0.090%，翌年為0.076%。由于長江上游地處高山深谷切割很深，氣候濕潤寒冷，森林的總蒸發(fā)量較小，降雨強度不大，所以，大面積的森林流域的年徑流量常常大于少林或無林流域的徑流量。對同一流域，不同時期由于森林覆蓋率變化不大，因而流域年徑流量的變化主要由于當年降雨的影響所致，森林覆蓋率的影響并沒有完全反映出來（表5）。但是，不同流域之間對比，則結果非常明顯。兩流域年降水量變化不大，引起年徑流量差別的主要原因是植被。即較高的植被覆蓋率具有較高的年徑流量。這似乎和同一流域中由于不同采伐措施引起植被變化而改變徑流量的結論相互矛盾。而事實上，在表5中同一流域不同年代對比的結論也和同一年代不同流域對比的結論相反。森林植被對徑流的影響究竟是正效應還是副效應？怎樣的對比研究是相對科學的？這恐怕只有等更多的試驗驗證了。目前的結論可歸納為：(1)森林大流域的年徑流量常常大于少林或無林流域的徑流量；(2)森林采伐改變徑流過程觀測結果為，岷江流域森林覆蓋率下降10%～15%，地表徑流與地下徑流的比值由7∶2變?yōu)?∶2，導致洪水量增加，而枯水量減少。2.3森林蒸散量的測定對森林蒸散實測研究工作始于20世紀60年代。以往的研究，森林蒸散量是作為生態(tài)系統(tǒng)水量平衡的殘余項來進行計算，直接測定少。表6列出了自60年代開始在我國各地利用能量平衡或水量平衡方法直接測定的森林蒸散量比較，其中包括長江上游四川米亞羅的測定數(shù)值，便于和全國其他地方的測定進行比較。從表6中不難看出，森林蒸發(fā)散受樹種、林齡、海拔、降水量等生物和非生物因子共同作用。隨緯度的降低，降水量增加，森林的實際蒸散值呈現(xiàn)略有增加的趨勢，但相對蒸散率（蒸發(fā)散占同期降水量之比）變化為40%～90%，其中的規(guī)律是蒸散率隨降水量的增加而減少。四川米亞羅地區(qū)，由于地處高海拔，年均溫相對較低，而降雨量相對較大，所以最終的相對蒸散率較低，這也是這一地區(qū)蒸散特征不同于其它地方的原因。3森林植被生態(tài)功能的理論依據(jù)森林植被與水關系的科學問題的討論在學術界引起較大反響，討論的焦點集中在植被對水資源是起正向作用還是反向作用。長期以來，學術界在這個問題上沒有形成共識。以長江流域和黃河流域上游的植被作用來講，兩者有著根本的區(qū)別。一個降雨豐沛，洪澇災害頻繁；一個干旱少雨，河道斷流。所以植被的水文功能和作用機制明顯不同。從表6中可看出，干旱地區(qū)森林植被的蒸發(fā)散占降水量的比率遠遠大于濕潤地區(qū)，河北隆化的油松林其蒸發(fā)散占降水量（年平均僅為500mm）的93%，而四川米亞羅蒸發(fā)散僅占降水量（年平均700～900mm）的30%～40%。另外，在討論植被功能的同時，還要區(qū)分是天然植被還是人工林的問題。這一點相當重要，因為研究的目的是解決大面積林業(yè)生態(tài)環(huán)境建設的需要，是為天然林保護和人工造林（種草）提供理論依據(jù)。所以切記不能拿著天然植被的研究結果用于指導人工造林或恢復，因為二者的區(qū)別是相當大的。本文著重論述了長江上游地帶性植被在水文功能上的作用，其對大氣降水的截持作用、對地表徑流的影響和植被蒸發(fā)散問題只是個例。值得指出的是，森林破壞后，地表徑流有增加的趨勢，雖然短期內(nèi)由于較好的溫度、濕度條件使森林伐后植被恢復（主要是灌草和次生林）很快，地表徑流量和徑流系數(shù)逐漸減少，但是，如果長期的植被破壞而使該區(qū)的森林覆蓋率大幅度下降的話，由此而引起的地表徑流的增加將會引發(fā)洪澇災害。在不同水文地理區(qū)域內(nèi)，徑流的形成機制和組成成分是不同的，不能將一個區(qū)域、一種尺度的研究結果簡單地外推到其他地區(qū)與流域。盡管森林植被與水關系研究已有較長的歷史，但是以往的研究局限在單項水文要素或小尺度研究的層面水平，缺乏在大流域、系統(tǒng)上應該維持多大規(guī)模、何種時空結構及景觀格局的森林植被生態(tài)系統(tǒng)，才能有效地發(fā)揮改善、調(diào)控水文生態(tài)功能的理論依據(jù)，缺乏森林植被生態(tài)系統(tǒng)對洪水災害、水土流失與水環(huán)境退化等生態(tài)環(huán)境問題在不同時空尺度的影響機制和影響程度的重大理論，尚未建立森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)動力學模型及多種尺度耦合的水循環(huán)調(diào)